性能增强的基于金属的光学镜面基材的制作方法

技术领域：
本文涉及镜子，更具体地，涉及由金属基材制作的镜子的结构和制造。技术背景存在各种使用高精度镜面的光学系统。例子包括紫外光刻聚光镜、反射激光扫描镜、用于国家安全的远程传感器、大气外反射光学件、高能红外(IR)激光系统、太阳能集中器、需要用于可见辐射的低散射系统以及各种其他应用。用于制造精密金属镜的一种技术是采用铝合金基材(例如，铝6061-T6)，以及在基材的表面上进行单点金刚石车削(DPT)，进而将其作为反射表面。这种合金重量轻，易于通过DPT机械加工，并且具有良好的长期稳定性。但是，铝合金含有诸如锌、铬和铁之类的合金元素，这在DPT之后留下了缺陷或人工制品，对DPT可实现的表面精整具有明显限制。该表面精整对于许多应用提供充分的低散射，其中，感兴趣的反射辐射具有较长波长，例如大于3.0微米的波长。但是，在较短波长处，例如对于可见辐射波长，该表面精整提供的散射水平对于许多应用而言太高了。散射是腐蚀以及高于所需表面精整(其暴露出位点，在所述位点合金材料可以被暴露出来)的结果，这导致系统输出的降低并且降低了激光诱发的损坏阈值(LIDT)性能。镍镀覆(以及更近来的称作(美国明尼苏达州明尼阿波利斯市铝镀有限公司(AlumiPlateIncorporated、Minneapolis、MN))的铝镀覆工艺)是用于沉积铝层的电镀工艺，其克服了与腐蚀相关的部分问题，但是并没有克服所有能够实现可用于宽范围波长的高性能镜面的制备问题。已经证实，当暴露于苛刻环境测试时，例如盐雾和扩展湿度时，镍镀精整光学件具有增强的耐腐蚀性，并且观察到具有增强的激光损坏阈值性能。但是，在用于铝合金基材的热膨胀系数(CTE)与用于镀覆镍层的CTE之间存在固有的失配。因此，由于镍层的厚度，在基材和镍层之间会存在双金属效应，这引起镜子的运行温度范围内的镜面表面弯曲。该弯曲对于高精度镜面表面是不合乎希望的，因为这改变了镜面表面的光学特性。为了在正常温度变化情况下使得该双金属完全保持在可接受范围，镀镍层需要是薄且均匀的层。这样的话，无法考虑将镍镀覆的精整光学件用于具有大范围运行温度的应用，例如约-70℃至约60℃的情况。一种替代技术使用电沉积高纯度铝镀覆代替镍镀覆，从而避免热失配。该工艺在电沉积的铝层上产生了氧化铝外层，这种氧化物层在切割过程中对金刚石工具造成损坏。此外，这种高纯度铝是非常柔软的，并且倾向于在切割过程中积累在金刚石工具上，这造成DPT操作的困难性。此外，铝的软表面易于划痕，并且难以清洁。另一种技术包括对铝基材进行抛光。虽然部分技术证实了RMS的表面精整，但是因为铝的软度，这是具有困难的。但是，双向反射分布函数(BRDF)散射测试显示，在经抛光的6061-T6铝层上所得到的非球面表面性能非常类似RMS表面精整，因为由于杂质的结果，表面的峰-谷变化仍然非常高。作为结果，该抛光技术无法提供相对于未抛光铝基材的显著改进。技术实现要素：根据本文的一个实施方式，提供了用于涂覆基材的方法。该方法包括：用金刚石将基材车削到约为RMS的表面粗糙度，其中，基材是金属和金属合金中的一种。方法还包括：将经金刚石车削的基材表面抛光至约为RMS的表面粗糙度，以形成经抛光基材，加热经抛光基材，以及用惰性气体对基材进行离子轰击。方法包括：采用低压磁控管喷溅，在基材的经离子轰击表面上沉积包括至少一层金属层的涂层，以及采用基于二醇的胶状溶液对涂层进行抛光以形成表面粗糙度小于约RMS的经精整表面。根据本文的另一个实施方式，提供了光学镜子。光学镜子包括基材和沉积在金属基材上的涂层，涂层包括至少一层金属层，其具有小于约RMS的经精整表面粗糙度。光学镜子还包括沉积在金属层上的反射金属层，以及沉积在反射金属层上的薄膜堆叠。在以下的详细描述中提出了本文的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的各种实施方式而被认识。应理解，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解权利要求书的性质和特点的总体评述或框架。所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。附图说明通过以下描述和附图将会更清楚地理解本文，附图仅是非限制性例子的形式，其中：图1显示了根据本文实施方式的镜子；图2显示了根据本文实施方式的镜子；图3显示了根据本文实施方式的镜子；以及图4显示了根据本文实施方式的镜子。具体实施方式根据本文的实施方式，提供了镜子和形成此类镜子的方法。图1-4显示根据本文示例性实施方式的各种镜子100、200、300、400。镜子100、200、300、400包括基材110、210、310、410，其可以是玻璃、玻璃-陶瓷、陶瓷或金属基材，但不限于此。基材110、210、310、410可以是二氧化硅基材，例如但不限于熔合二氧化硅。金属基材可以是铝、铝合金、镁和镁合金，但不限于此。例如，铝合金可以是6061-T6Al合金，但不限于此。镜子100、200、300、400还包括沉积在基材表面上的涂层。涂层包括至少一层金属层120、220、320、420，其可以沉积在基材110、210、310、410上。可以对金属层120、220、320、420进行选择，从而使得在金属层120、220、320、420的CTE与基材110、210、310、410的CTE之间存在最小差异，并且使得在镜子的运行温度范围内的镜面表面的热变形或弯曲最小化。金属层120、220、320、420可以是例如铝或铝合金，但不限于此。金属层的厚度可以约为2.0-10.0μm。或者，金属层120、220、320、420的厚度可以约为3.0-8.0μm。根据本文的一些实施方式，金属层120、220、320、420的表面粗糙度小于约RMS。涂层可任选地包含沉积在基材的表面上的粘合层240、340、440。可以包含粘合层240、340、440以改善各种涂层与基材110、210、310、410的粘结。当包含粘合层240、340、440时，粘合层240、340、440可以是Ni、Cr、NiCr、Ti、Al2O3、Bi、Bi2O3，或其组合，但不限于此。粘合层240、340、440的厚度可以约为5.0-50nm。如图2-4所示，当包含粘合层240、340、440时，所述至少一层金属层220、320、420沉积在粘合层240、340、440上。如图3所示，涂层可任选地包括沉积在粘合层340上的中间层350。可以包括中间层350以增强镜子的化学耐用性和机械耐用性。当包括中间层350时，中间层350可以是氧化铝、氮化铝和氧氮化铝，但不限于此。中间层350的厚度可以约为1.0-2.0μm。如图3所示，当包括中间层350时，所述至少一层金属层320沉积在中间层350上并且厚度至少约为2.0μm。如图4所示，涂层可任选地包括沉积在所述至少一层金属层420上的至少一层光滑层450。光滑层450可以是氧化铝或氧化硅并且厚度可以大于约100nm，但不限于此。当包括至少一层光滑层450时，所述至少一层金属层420沉积在所述至少一层光滑层450上并且厚度至少约为2.0μm。作为非限制性例子，图4显示了根据本文实施方式的镜子400。如所示，图4中的镜子400包括：基材410和涂层，所述涂层具有沉积在基材410上的粘合层440、沉积在粘合层440上的第一金属层420、沉积在第一金属层420上的第一光滑层450、沉积在第一光滑层450上的第二金属层420、沉积在第二金属层420上的第二光滑层450、沉积在第二光滑层450上的第三金属层420以及沉积在第三金属层420上的薄膜堆叠430。图4仅仅显示了具有至少一层光滑层450的涂层的一个例子。根据本文的涂层可以包括任意数量的金属层和光滑层。可以包括光滑层450以提供所述至少一层金属层420下方的光滑表面，这有助于沉积到光滑层450上的所述至少一层金属层420的光滑表面。涂层还包括薄膜堆叠130、230、330、430。薄膜堆叠130、230、330、430包括至少一层薄膜层和反射金属层。反射金属层可以是例如零价的Ag、Au、Rh、Cu、Pt或Ni，但不限于此。反射金属层的厚度可以约为75-350nm。反射金属层可以沉积到所述至少一层金属层120、220、320、420的最外层上。或者，薄膜堆叠130、230、330、430可以包括薄膜，所述薄膜改善了反射金属层与涂层的粘附。改善了粘附的薄膜可以是例如Al2O3。薄膜堆叠130、230、330、430可以包括保护层，其可以是AlON、SiON、YbF3、YbFxOy、YF3、Si3N4，及其组合，但不限于此。保护层的厚度可以约为60-200nm。当薄膜堆叠130、230、330、430包括至少两层薄膜层时，保护层是薄膜堆叠130、230、330、430的最外薄膜层。此外，当薄膜堆叠130、230、330、430包括至少两层薄膜层时，可以在薄膜堆叠130、230、330、430的保护层与反射金属层之间沉积调节层。调节层可以是YbF3、YbFxOy、YF3、GdF3、Ta2O5、Bi2O3，或其组合，但不限于此。调节层的厚度可以约为75-300nm。此外，可以在薄膜堆叠130、230、330、430的调节层与反射金属层之间沉积界面层。界面层可以是Nb2O5、TiO2、Ta2O5、Bi2O3、ZnS、Al2O3，或其组合，但不限于此。界面层的厚度可以约为5.0-20nm。本文所揭示的镜子在约为400-1700nm的波长范围可具有至少约94％的反射率。镜子还可在约为800-1700nm的波长范围具有至少约96％的反射率。根据本文实施方式的方法包括：将基材金刚石车削至约为RMS的表面粗糙度。根据本文的实施方式，方法还可包括：将经过金刚石车削的基材表面抛光至小于(例如，约)的表面粗糙度，以形成经抛光基材。或者，可以不对经过金刚石车削的基材表面进行抛光。方法还包括：将经抛光基材加热至约为50-150℃(例如约为80-110℃)的温度，持续约为1.0-2.0小时的时间段。方法还包括：用惰性气体(例如，氩气)对经抛光基材进行离子轰击，持续约为15-30分钟的时间段。方法还包括：使用低压磁控管喷溅，在经离子轰击的基材表面上沉积包括至少一层金属层的涂层。可根据美国专利第5,525,199号所揭示的方法进行低压磁控管喷溅，其说明书通过引用结合入本文。方法还可任选地包括：在沉积所述至少一层金属层之前，在经抛光基材的表面上沉积粘合层。方法还可任选地包括在粘合层上沉积至少一层中间层。此外，方法可任选地包括在至少两层金属层之间沉积至少一层光滑层。当沉积至少一层光滑层时，至少一层金属层沉积在光滑层的顶部上，从而在本文所揭示方法的抛光步骤期间，没有去除光滑层。方法还包括采用基于二醇的胶态溶液对所述至少一层金属层进行抛光以形成小于约RMS的表面粗糙度，所述基于二醇的胶态溶液具有略碱性pH。相信略碱性pH可至少部分溶解在镜面基材上存在的铝表面氧化。基于二醇的胶态溶液的pH可以约为8.5-9.5。或者，基于二醇的胶态溶液的pH可以约为8.9-9.2。可以采用抛光垫完成抛光，所述抛光垫是保形工具，其可以由沥青、蜡、树脂、毡、聚氨酯、PoliTexTM(市售可得自密歇根州米德兰市陶氏化学品公司(DowChemicalCompany、Midland、MI))和/或其他已知抛光垫材料制造。该抛光还可产生峰-谷(PV)粗糙度小于约30nm(例如，约为10-30nm)的表面。如本文所用，PV粗糙度是镜子表面的相图上的最高峰和最低谷之间的差异。不同于本文所述方法，使用水基溶液可能导致微凹陷(micro-pitting)和大于约30nm的PV粗糙度。此类微凹陷引起光在较低可见光-近UV波长处的散射。任选地，方法还可包括对涂层中的至少一层进行光滑化。光滑化技术可包括例如，偏离正入射角离子轰击，例如高角离子轰击，并采用源掩模使得高角沉积最小化。可以采用光滑化技术对涂层中任意数量的层进行光滑化。方法还可包括在涂层上沉积反射金属层。根据本文的实施方式，方法包括在涂层的所述至少一层金属层的最外层上沉积反射金属层。方法还可包括在反射金属层上沉积薄膜堆叠。薄膜堆叠包括至少一层薄膜层。本文所揭示的实施方式有助于制造平均表面粗糙度小于约RMS的镜子。相比于具有金刚石车削的基材表面的镜子，观察到根据本文实施方式形成的镜子在宽波长范围上具有反射辐射的散射降低。此外，具有根据本文实施方式的涂层的镜子具有金属层CTE与基材CTE之间的最小差异，这使得镜面表面在镜子的运行温度范围的热变形和弯曲最小化。这可适用于具有大的运行温度范围(例如，约为-70℃至约60℃)的镜子应用。本文所揭示的镜子还具有改善的耐腐蚀性和增强的激光损坏阈值性能。如下文实施例所述，证实当暴露于苛刻环境测试(例如盐雾和扩展湿度)时，根据本文实施方式的镜子具有增强的耐腐蚀性。实施例下文参照某些示例性和具体实施方式来进一步描述本文的实施方式，其仅仅是示意性的，并不旨在进行限制。实施例1制备4个样品镜子基材，对4个样品进行激光诱发的损坏阈值(LIDT)测试。4个样品包括6061-T6Al基材。样品S1和S2的基材表面经金刚石车削和抛光。在样品S2上沉积反射金属层，以及在反射金属层上沉积薄膜堆叠。样品S3和S3的基材经金刚石车削然后进行抛光。经抛光的基材经过加热，用惰性气体进行离子轰击，以及采用低压磁控管喷溅将包括金属层的涂层沉积到经抛光基材上。采用基于二醇的胶态溶液来抛光涂层，以形成表面粗糙度小于约RMS的经精整表面。在样品S4的涂层上沉积反射金属层，以及在反射金属层上沉积薄膜堆叠。样品S2和S4上沉积相同的反射金属层和薄膜堆叠。采用Nd-YAG层，以1064nm波长、45°入射角和20Hz的脉冲重复频率(PRF)，进行LIDT测试。表I显示LIDT测试的结果。如所示，观察到根据本文实施方式形成的镜子基材展现出增强的激光损坏阈值性能。例如，根据本文所揭示的方法加工的样品S3展现出的LIDT比经过金刚石车削和抛光的样品S1的LIDT大10倍。类似地，根据本文所揭示的方法加工的样品S4展现出的LIDT比经过金刚石车削和抛光的样品S2的LIDT大2倍。表I样品LIDT结果(J/cm2)S10.25S21.50S32.50S43.25实施例2根据本文的实施方式涂覆镜子。基材经过金刚石车削至约为RMS的表面粗糙度，然后抛光至小于约的表面粗糙度。然后，经抛光基材加热至约为80-110℃的温度，持续约为1.0-2.0小时的时间段。然后用氩气对经抛光基材进行离子轰击，持续约为15-30分钟的时间段。在经离子轰击表面上沉积厚度约为5.0-50nm的粘合层。然后在粘合层上沉积厚度约为6.0μm的金属涂层。以小于约/秒的速率进行各层的沉积。加工压力约为2.0x10-4托至约为6.0x10-4托，并且在沉积过程中，用约为0.5-1.0mA/cm2的平均氩气离子束密度对基材进行离子轰击。在完成涂覆方法之后，观察到涂层维持与基材的粘附，以及与涂层的其他层的粘附。在经涂覆的镜子进一步经受持续约为24-48小时的精整溶液之后，也维持了粘附。测量精整后的镜子表面的表面粗糙度和PV粗糙度。确定表面的表面粗糙度约为以及确定PV约为10-30nm。实施例3根据实施例2所述的镜子制备两个镜子，并且在涂层上沉积反射金属层。在两个镜子的每个反射金属层上沉积不同薄膜堆叠。第一薄膜堆叠依次包括Al2O3-Ag-Al2O3-YbFxOy-Ta2O5-YbFxOy。第二薄膜堆叠依次包括Al2O3-Ag-Al2O3-SiO2。测量每个镜子的反射率，并且观察到在约为400-1700nm的波长范围至少约94％，在约为800-1700nm的波长范围大于至少约96％，以及在约为900-1700nm的波长范围大于约98％。虽然为说明的目的提供了上述实施方式，但是前面的描述不应被认为是对本文范围的限制。因此，本领域技术人员可进行各种修改、改动和选择，而不背离本发明的精神和范围。当前第1页1 2 3